本發(fā)明涉及一種發(fā)動機(jī)燃燒控制技術(shù)。

背景技術(shù)：

汽油壓燃著火燃燒方式(Gasoline compression ignition，GCI)由于其同時(shí)具有改善燃油經(jīng)濟(jì)性和發(fā)動機(jī)尾氣排放的潛力而成為一種極具發(fā)展前景的新發(fā)動機(jī)燃燒技術(shù)。在汽油壓燃著火技術(shù)的發(fā)展歷史中，由于應(yīng)用平臺和控制策略的不同，其也被稱為預(yù)混充量壓燃著火技術(shù)、均質(zhì)充量壓燃技術(shù)、可控自燃燃燒技術(shù)和部分預(yù)混壓燃技術(shù)等。以上幾種技術(shù)雖然在實(shí)施上各有不同，但是其技術(shù)核心同屬于汽油壓燃著火燃燒的范疇。汽油壓燃燃燒技術(shù)的共同特點(diǎn)之一就是通過額外熱源或者高溫已燃廢氣的加熱和發(fā)動機(jī)的壓縮過程使得稀釋或稀薄的空氣燃油混合氣在燃燒上止點(diǎn)附近自燃著火。

稀釋混合氣是指缸內(nèi)充量除了燃油和空氣外還存留有大量的已燃?xì)怏w，其燃油和空氣并不局限于理論當(dāng)量比。而稀薄混合氣是指缸內(nèi)充量主要只包含燃油和空氣，但是空氣量與燃油的比例必大于理論上的空燃當(dāng)量比。因此，稀釋燃燒是指缸內(nèi)著火燃燒時(shí)充量為稀釋混合氣，而稀薄燃燒是指缸內(nèi)著火燃燒時(shí)充量為稀薄混合氣。無論是稀釋燃燒還是稀薄燃燒，其核心本質(zhì)都是在發(fā)動機(jī)著火燃燒時(shí)，填充大量不參與燃燒的氣體以控制發(fā)動機(jī)燃燒過程，無論是已燃廢氣還是過量空氣。

但是汽油壓燃燃燒技術(shù)若要在實(shí)際中應(yīng)用，仍然面臨燃燒過程控制中的三個(gè)主要的技術(shù)問題。首先需要解決汽油機(jī)壓燃燃燒的著火控制問題。汽油壓燃燃燒的著火取決于壓縮過程中缸內(nèi)預(yù)混充量的溫度歷程，著火本質(zhì)上由化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)過程以及缸內(nèi)的流動混合過程決定，但是化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)以及缸內(nèi)的流動混合過程均難以直接而精準(zhǔn)的調(diào)控，因而汽油壓燃燃燒缺乏直接的著火控制方法以精確控制著火時(shí)刻。其次，汽油壓燃燃燒對環(huán)境溫度非常敏感，故而在發(fā)動機(jī)處于冷環(huán)境中，如冷啟動時(shí)很難穩(wěn)定著火。最后，汽油機(jī)大負(fù)荷存在高壓力升高率的問題。由于缺乏著火時(shí)刻及燃燒過程兩個(gè)方面的有效調(diào)控手段，汽油壓燃燃燒在大負(fù)荷很容易由于高的放熱速率引起很高的壓力升高率。高的壓力升高率會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)損傷。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服預(yù)混稀釋或稀薄混合氣的著火及燃燒過程控制的難題，本發(fā)明提供一種發(fā)動機(jī)稀薄或稀釋燃燒的著火和燃燒控制方法，該控制方法是基于同時(shí)具有火花點(diǎn)火、缸內(nèi)直接噴射高可燃性燃料和可變氣門定時(shí)功能的發(fā)動機(jī)，配有外部廢氣再循環(huán)或增壓系統(tǒng)，即該發(fā)動機(jī)應(yīng)具有的具體功能為：通過進(jìn)氣道噴射方式，在缸內(nèi)形成稀薄或稀釋的油氣混合氣；通過在進(jìn)氣行程或壓縮行程初期通過缸內(nèi)直接噴射高可燃性燃料方式，形成由空氣、汽油、高可燃性燃料、廢氣或過量空氣等組成的預(yù)混稀釋或稀薄的油氣混合氣；通過在壓縮行程末期向缸內(nèi)直接噴射高可燃性燃料的方法，在接近上止點(diǎn)時(shí)高可燃性燃料自燃形成多個(gè)著火點(diǎn)。

本發(fā)明提出的高可燃性燃料微引燃控制稀釋或稀薄燃燒及著火的方法，其中，發(fā)動機(jī)是一臺每缸均配有火花塞、進(jìn)氣道噴油器、缸內(nèi)直接噴油器、高可燃性燃料高壓供給系統(tǒng)以及至少一個(gè)進(jìn)氣門和一個(gè)排氣門的四沖程內(nèi)燃發(fā)動機(jī)；包括以下步驟：

步驟一、通過所述進(jìn)氣道噴油器向進(jìn)氣道噴射汽油，從而向缸內(nèi)引入預(yù)混的稀釋空氣燃油混合氣或是預(yù)混的稀薄空氣燃油混合氣；

其中，稀釋空氣燃油混合氣是指燃料空氣混合氣中還包含有燃燒生成物的混合氣；稀薄空氣燃油混合氣指是燃料空氣混合氣中空氣比例多于當(dāng)量比燃燒所需空氣比例的混合氣；

步驟二、在發(fā)動機(jī)處于進(jìn)氣行程或壓縮行程早期，通過缸內(nèi)直接噴油器向缸內(nèi)噴射少量高可燃性燃料，從而與步驟一中形成的預(yù)混的稀釋空氣燃油混合氣或是預(yù)混的稀薄空氣燃油混合氣相混合，用于改進(jìn)預(yù)混的稀釋空氣燃油混合氣或預(yù)混的稀薄空氣燃油混合氣的可燃性；

步驟三、在發(fā)動機(jī)處于壓縮行程后期、且在燃燒開始前，通過缸內(nèi)直接噴油器向缸內(nèi)噴射少量高可燃性燃料，從而在火花塞附近形成高可燃性燃料的分層混合氣；

步驟四、利用活塞上行的壓縮來提升缸內(nèi)溫度，使步驟三中形成的高可燃性燃料的分層混合氣自燃著火，形成多個(gè)火核，引燃汽油形成穩(wěn)定火焰?zhèn)鞑ィ?/p>

步驟五、利用火焰?zhèn)鞑メ尫诺哪芰刻嵘變?nèi)溫度，同時(shí)在步驟二注入的少量高可燃性燃料的輔助下，在未燃稀釋的空氣燃油混合氣或是未燃稀薄的空氣燃油混合氣中形成多個(gè)自燃點(diǎn)，進(jìn)而形成穩(wěn)定的快速燃燒或多點(diǎn)自燃燃燒。

進(jìn)一步講，本發(fā)明提出的高可燃性燃料微引燃控制稀釋或稀薄燃燒及著火的方法，其中，在所述發(fā)動機(jī)上設(shè)高壓EGR回路和低壓EGR回路；當(dāng)所述發(fā)動機(jī)在大負(fù)荷工況遭遇爆震或最大爆發(fā)壓力超限時(shí)，關(guān)閉步驟二中高可燃性燃料的早噴過程；并通過高壓EGR回路或者低壓EGR回路向進(jìn)氣道內(nèi)引入冷卻的已燃廢氣，用以增大已燃廢氣含量，同時(shí)，利用所述進(jìn)氣道噴油器向進(jìn)氣道噴射汽油，從而向缸內(nèi)引入預(yù)混的稀釋空氣燃油混合氣，進(jìn)而將所述發(fā)動機(jī)燃燒過程轉(zhuǎn)換為快速火焰?zhèn)鞑シ绞饺紵?/p>

所述發(fā)動機(jī)上設(shè)有進(jìn)氣增壓器；當(dāng)所述發(fā)動機(jī)在大負(fù)荷工況遭遇爆震或最大爆發(fā)壓力超限時(shí)，關(guān)閉步驟二中高可燃性燃料的早噴過程；并通過所述進(jìn)氣增壓器向進(jìn)氣道內(nèi)引入過量的空氣，同時(shí)，利用所述進(jìn)氣道噴油器向進(jìn)氣道噴射汽油，從而在缸內(nèi)形成預(yù)混的稀薄空氣燃油混合氣，進(jìn)而將所述發(fā)動機(jī)燃燒過程轉(zhuǎn)換為快速火焰?zhèn)鞑シ绞饺紵?/p>

在發(fā)動機(jī)缸內(nèi)熱狀態(tài)不足以滿足分層混合氣點(diǎn)火或形成穩(wěn)定壓燃燃燒時(shí)，通過引入內(nèi)部殘余廢氣的方式提高預(yù)混的稀釋空氣燃油混合氣或是預(yù)混的稀薄空氣燃油混合氣的溫度，以滿足在不同負(fù)荷下高可燃性燃料微引燃控制稀釋空氣燃油混合氣或是稀薄空氣燃油混合氣低溫燃燒的需求。

在發(fā)動機(jī)壓縮比低或缸內(nèi)稀釋程度大導(dǎo)致無法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定燃燒的時(shí)候，采用火花塞跳火輔助高可燃性燃料引燃缸內(nèi)汽油燃料，以在放熱過程前期形成穩(wěn)定的火焰?zhèn)鞑ミ^程。

本發(fā)明中，通過缸內(nèi)直接噴油器向缸內(nèi)噴射的高可燃性燃料的噴射總量不超過每循環(huán)缸內(nèi)所有燃油質(zhì)量的25％。

本發(fā)明中，所述高可燃性燃料為十六烷值高于40的易汽化的燃料，優(yōu)選為二甲醚或聚甲氧基二甲醚。

本發(fā)明方法中向缸內(nèi)直噴高可燃性燃料的噴射時(shí)刻范圍有兩種：缸內(nèi)早噴高可燃性燃料與缸內(nèi)晚噴高可燃性燃料。缸內(nèi)早噴高可燃性燃料是在發(fā)動機(jī)處于進(jìn)氣行程或壓縮行程且在壓縮上止點(diǎn)前90°及之前時(shí)，向缸內(nèi)直噴高可燃性燃料。缸內(nèi)早噴高可燃性燃料的主要作用是輔助稀釋或稀薄空氣燃油混合氣的自燃過程，以及提高稀釋或稀薄空氣燃油混合氣的火焰?zhèn)鞑ニ俣取Ｔ鐕姷母呖扇夹匀剂蠒c缸內(nèi)的混合氣相混合，形成預(yù)混狀態(tài)的稀釋混合氣，由于高可燃性燃料的自燃溫度低于汽油，因此這些預(yù)混的高可燃性燃料將在達(dá)到適宜的溫度后，發(fā)生自燃放熱，輔助其附近的稀薄或稀釋混合氣產(chǎn)生多個(gè)自燃點(diǎn)，或者提升其火焰?zhèn)鞑ニ俣?，?shí)現(xiàn)稀薄或稀釋混合氣的快速燃燒或多點(diǎn)自燃燃燒。增大缸內(nèi)早噴高可燃性燃料所占總?cè)加偷谋壤?，將增大缸?nèi)由早噴高可燃性燃料自燃所釋放的熱量，從而強(qiáng)化稀釋或稀薄空氣燃油混合氣自燃點(diǎn)產(chǎn)生的過程，因而是一種在缸內(nèi)溫度不足而不能形成穩(wěn)定壓燃燃燒時(shí)的有效調(diào)控措施。缸內(nèi)晚噴高可燃性燃料是在發(fā)動機(jī)處于壓縮行程且在壓縮上止點(diǎn)前90°之后、燃燒開始前，向缸內(nèi)直噴高可燃性燃料。缸內(nèi)晚噴高可燃性燃料的主要作用是強(qiáng)化稀釋或稀薄空氣燃油混合氣的著火過程，并提升隨后火焰?zhèn)鞑ミ^程的速度。晚噴高可燃性燃料將會在火花塞附近形成易于著火的混合氣，在缸內(nèi)高溫和火花塞引燃的作用下，發(fā)生燃燒或自燃，形成多個(gè)著火點(diǎn)，進(jìn)而引燃汽油，形成穩(wěn)定的火焰?zhèn)鞑ミ^程。因此，缸內(nèi)晚噴高可燃性燃料是一種在缸內(nèi)稀釋程度較高而不能點(diǎn)燃混合氣或不能形成穩(wěn)定火焰?zhèn)鞑r(shí)的有效調(diào)控措施。將上述兩種調(diào)控手段相結(jié)合，能夠很好的實(shí)現(xiàn)對稀釋或稀薄空氣燃油混合氣的著火與燃燒的有效控制。

本發(fā)明提出的高可燃性燃料微引燃控制稀釋或稀薄燃燒及著火的方法，其中，所述發(fā)動機(jī)上，還設(shè)有EGR回路和增壓系統(tǒng)；首先，通過所述EGR回路或者增壓系統(tǒng)，向進(jìn)氣道內(nèi)引入冷卻的已燃廢氣或過量空氣，從而在缸內(nèi)形成預(yù)混的稀釋或稀薄空氣燃油混合氣；所述稀釋或稀薄空氣燃油混合氣的燃燒采用前述的稀薄或稀釋燃燒的著火和燃燒控制方法來控制；增加EGR功能和進(jìn)氣增壓功能的優(yōu)勢是，在汽油壓燃燃燒發(fā)動機(jī)遭遇爆震、最大壓力升高率過大或最大爆發(fā)壓力過大時(shí)，利用已燃廢氣或過量空氣對燃燒的抑制作用可以調(diào)整自燃放熱的比例，如有需要甚至可將明顯的自燃放熱過程轉(zhuǎn)換為快速的火焰?zhèn)鞑ト紵跃S持發(fā)動機(jī)運(yùn)行的可靠性。前述的快速火焰?zhèn)鞑ミ^程是指包含有局部自燃以致于放熱速度快于稀釋條件下火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊幕鹧鎮(zhèn)鞑ミ^程，并不等同于傳統(tǒng)汽油機(jī)中的火焰?zhèn)鞑ミ^程。

本發(fā)明提出的高可燃性燃料微引燃控制稀釋或稀薄燃燒及著火的方法，其中，在所述發(fā)動機(jī)上，由于有效壓縮比、負(fù)荷和稀釋程度的變化，依靠晚噴的高可燃性燃料自燃引燃汽油，形成穩(wěn)定的火焰?zhèn)鞑?，促使周圍其余的稀釋或稀薄空氣燃油混合氣在早噴預(yù)混的高可燃性燃料的輔助下發(fā)生自燃或者以快速火焰?zhèn)鞑サ男问结尫艧崃俊Ｔ诟變?nèi)熱狀態(tài)不足時(shí)，發(fā)動機(jī)可能會遇到后期自燃難以形成或者放熱不穩(wěn)定的問題，此時(shí)可以采用以下技術(shù)手段，一是可以通過采用增大晚噴高可燃性燃料的比例來提升高可燃性燃料濃度和缸內(nèi)覆蓋面積來增大火核密度和廣度，強(qiáng)化引燃汽油的過程，從而穩(wěn)定火焰?zhèn)鞑ミ^程；二是可以通過采用增大早噴高可燃性燃料的比例來提升預(yù)混稀釋或稀薄空氣燃油混合氣中的高可燃性燃料自燃放熱過程來強(qiáng)化燃燒中后期的壓燃燃燒；三是可以通過引入內(nèi)部殘余廢氣的方式提高預(yù)混的稀釋或者稀薄空氣燃油混合氣的溫度，以滿足在不同負(fù)荷下稀薄或稀釋空氣燃油混合氣多點(diǎn)同時(shí)自燃的需求；四是可采用火花塞跳火輔助高可燃性燃料引燃缸內(nèi)汽油燃料，進(jìn)一步提高火核形成速度，以在放熱過程前期形成穩(wěn)定的火焰?zhèn)鞑ミ^程。

本發(fā)明中的缸內(nèi)直噴高可燃性燃料微引燃概念，是基于以下解釋而來。首先，高可燃性燃料的每循環(huán)總噴射量(缸內(nèi)早噴高可燃性燃料與缸內(nèi)晚噴高可燃性燃料的質(zhì)量總和)不超過缸內(nèi)總?cè)加?汽油與高可燃性燃料的質(zhì)量總和)質(zhì)量的25％，即可實(shí)現(xiàn)引燃效果，因此高可燃性燃料在本發(fā)明中僅僅是作為輔助點(diǎn)火劑，引燃稀薄或稀釋空氣燃油混合氣。其次，缸內(nèi)早噴的高可燃性燃料，是通過高可燃性燃料自燃放熱在預(yù)混的稀釋或稀薄空氣燃油混合氣中產(chǎn)生輔助自燃點(diǎn)，引起稀釋或稀薄空氣燃油混合氣產(chǎn)生自燃或提高其火焰?zhèn)鞑ニ俣?，從而?shí)現(xiàn)微引燃的作用。最后，缸內(nèi)晚噴的高可燃性燃料，通過其自燃或火花塞的引燃，加強(qiáng)稀釋或稀薄空氣燃油混合氣火焰?zhèn)鞑ミ^程的穩(wěn)定性。這種微引燃的過程可看做是：由高可燃性燃料分層混合氣自燃所強(qiáng)化的大型點(diǎn)火源，穩(wěn)定地引燃剩余的稀釋或稀薄空氣燃油混合氣發(fā)生快速燃燒或多點(diǎn)自燃燃燒的過程。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

將本發(fā)明提出的高可燃性燃料微引燃控制稀釋或稀薄燃燒及著火的方法應(yīng)用在已有的Ricardo Hydra 140型單缸發(fā)動機(jī)上，其中,高可燃性燃料選用二甲醚，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證本方法可以拓展稀釋燃燒的運(yùn)行范圍。與此同時(shí)，還可以大幅降低稀釋燃燒的循環(huán)變動，稀釋燃燒的循環(huán)變動在本發(fā)明控制方法的作用下可降低到2％左右。并且本方法還能夠提升燃油經(jīng)濟(jì)性。與均質(zhì)空氣燃油混合氣的稀釋燃燒方式相比可以明顯改善燃油經(jīng)濟(jì)性，在IMEP＝6.2bar時(shí)，利用本發(fā)明方法較均質(zhì)噴射的稀釋燃燒，其燃油經(jīng)濟(jì)性可改善4.8％。與節(jié)氣門控制負(fù)荷的SI燃燒相比，同樣可以明顯改善燃油經(jīng)濟(jì)性。在IMEP＝6.2bar時(shí),利用本發(fā)明方法較節(jié)氣門控制負(fù)荷的SI燃燒，其燃油經(jīng)濟(jì)性可改善6.2％。最后，相比于節(jié)氣門控制負(fù)荷的SI燃燒，具備更好的排放。在IMEP＝6.2bar時(shí)，利用本發(fā)明方法較節(jié)氣門控制負(fù)荷的SI燃燒，其NOx排放可降低27％。

附圖說明

圖1是本發(fā)明中同時(shí)具有進(jìn)氣道噴射和缸內(nèi)直噴能力的單缸發(fā)動機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

圖2是在圖2所示發(fā)動機(jī)上進(jìn)行直噴噴油器位置變換而形成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

圖3是本發(fā)明高可燃性燃料微引燃控制稀釋或稀薄燃燒及著火的方法示意圖；

圖4是在圖1所示發(fā)動機(jī)系統(tǒng)上安裝外部廢氣再循環(huán)系統(tǒng)后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

圖5是在圖2所示發(fā)動機(jī)系統(tǒng)上安裝外部廢氣再循環(huán)系統(tǒng)后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

圖6(a)基于進(jìn)氣沖程打開排氣門方式存留廢氣的氣門定時(shí)示意圖；

圖6(b)基于排氣沖程打開進(jìn)氣門方式存留廢氣的氣門定時(shí)示意圖；

圖6(c)負(fù)氣門重疊角方式存留廢氣的氣門定時(shí)示意圖；

圖6(d)正氣門重疊角方式存留廢氣的氣門定時(shí)示意圖。

圖中：1、缸內(nèi)工作容積；2、活塞；3、連桿；4、排氣門；5、進(jìn)氣門；6、進(jìn)氣道噴油器；7、缸內(nèi)直噴噴油器；8、火花塞，9、渦輪機(jī)；10、壓氣機(jī)；11、中冷器；12、高壓EGR回路；13、低壓EGR回路；14、高壓EGR回路EGR控制閥；15、低壓EGR回路EGR控制閥。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)描述，所描述的具體實(shí)施例僅對本發(fā)明進(jìn)行解釋說明，并不用以限制本發(fā)明。

本發(fā)明中，早噴高可燃性燃料微引燃的過程釋放的能量是作為一個(gè)空間區(qū)域分布的微小放熱源群，輔助預(yù)混的稀釋混合氣產(chǎn)生多個(gè)自燃點(diǎn)，進(jìn)而發(fā)生多點(diǎn)自燃或快速燃燒。而晚噴高可燃性燃料微引燃過程是通過高可燃性燃料自燃產(chǎn)生大量集中分布的微點(diǎn)火源來強(qiáng)化火焰?zhèn)鞑ミ^程，使得其余的稀釋空氣燃油混合氣或稀薄空氣燃油混合氣獲取足夠溫度而發(fā)生快速燃燒或是多點(diǎn)自燃。其中，分層充量的數(shù)量可以根據(jù)發(fā)動機(jī)當(dāng)前運(yùn)行條件，如負(fù)荷、轉(zhuǎn)速和進(jìn)氣壓力等，通過缸內(nèi)直噴的脈寬進(jìn)行調(diào)節(jié)，以優(yōu)化整個(gè)燃燒過程。當(dāng)通過火焰?zhèn)鞑メ尫诺哪芰窟_(dá)到一定程度后，缸內(nèi)預(yù)混的均質(zhì)混合氣會由于受到內(nèi)部廢氣加熱、活塞上行壓縮、早噴高可燃性燃料自燃放熱和已燃混合氣傳熱等方面的作用，達(dá)到自燃條件，發(fā)生自燃放熱。其中，內(nèi)部廢氣加熱和活塞上行壓縮為自燃放熱提供基礎(chǔ)條件，而早噴高可燃性燃料自燃放熱和已燃混合氣傳熱作為直接控制著火的手段而存在。

本發(fā)明提出的高可燃性燃料微引燃控制稀釋或稀薄燃燒及著火的方法的設(shè)計(jì)思路是：在一臺為實(shí)現(xiàn)汽油稀釋或稀薄燃燒設(shè)計(jì)的汽油發(fā)動機(jī)上，通過在進(jìn)氣道噴射汽油的方式形成預(yù)混的稀薄或者稀釋空氣燃油混合氣，并將該混合氣引入缸內(nèi)。其中進(jìn)氣道內(nèi)的稀釋空氣燃油混合氣是通過在進(jìn)氣系統(tǒng)中引入外部廢氣再循環(huán)的方式所實(shí)現(xiàn)的，無論是通過高壓外部廢氣再循環(huán)回路或低壓外部廢氣再循環(huán)回路或者兩種外部廢氣再循環(huán)回路兼用的方法均可。進(jìn)氣道內(nèi)的稀薄空氣燃油混合氣是通過在進(jìn)氣系統(tǒng)中引入過量外部空氣的方式所實(shí)現(xiàn)，無論是增大進(jìn)氣門升程、增大節(jié)氣門開度還是進(jìn)氣增壓或者幾種方式兼用的方法均可。在發(fā)動機(jī)處于進(jìn)氣行程或壓縮行程早期，通過缸內(nèi)直接噴油器噴射少量高可燃性燃料，從而與引入缸內(nèi)的的空氣、汽油、廢氣或過量空氣等形成預(yù)混的稀釋空氣燃油混合氣或預(yù)混的稀薄空氣燃油混合氣。在得到預(yù)混的稀釋空氣燃油混合氣或預(yù)混的稀薄空氣燃油混合氣后，通過缸內(nèi)直接晚噴高可燃性燃料的方式，即活塞接近壓縮上止點(diǎn)時(shí)噴射高可燃性燃料，活塞上行使得缸內(nèi)溫度上升至適宜溫度，使得晚噴的高可燃性燃料自燃放熱，形成多個(gè)火核，引燃汽油形成穩(wěn)定的火焰?zhèn)鞑?。利用火焰?zhèn)鞑ミ^程所釋放的熱量引起的壓力升高以及活塞的繼續(xù)上行壓縮引起的壓力升高致使早噴預(yù)混的高可燃性燃料自燃，輔助其余預(yù)混的未燃稀薄或稀釋空氣燃油混合氣自燃點(diǎn)的產(chǎn)生，促使其發(fā)生快速燃燒或多點(diǎn)自燃燃燒。其中，缸內(nèi)直噴高可燃性燃料微引燃的過程作為在汽油壓燃發(fā)動機(jī)上實(shí)現(xiàn)稀釋或稀薄混合氣在全部工況下可控壓縮著火和燃燒的主要手段。本文中的高可燃性燃料，選用高十六烷值且易汽化的燃料，如二甲醚、聚甲氧基二甲醚等，這些均可以作為實(shí)現(xiàn)微引燃的輔助燃料；除汽油燃料外，醇類燃料以及其他高辛烷值燃料也均可采用本發(fā)明的方法實(shí)現(xiàn)預(yù)混稀薄或稀釋充量在缸內(nèi)的壓燃著火燃燒控制。

本發(fā)明所涉及到的發(fā)動機(jī)是一臺每缸均配有火花塞、進(jìn)氣道噴油器、缸內(nèi)直接噴油器、高可燃性燃料高壓供給系統(tǒng)以及至少一個(gè)進(jìn)氣門和一個(gè)排氣門的四沖程內(nèi)燃發(fā)動機(jī)。

圖1所示的是一臺單缸往復(fù)式二沖程或者四沖程發(fā)動機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。活塞2通過連桿3與曲軸相連，通過其往復(fù)運(yùn)動而實(shí)現(xiàn)缸內(nèi)工作容積1變化。發(fā)動機(jī)燃燒室至少配備一個(gè)進(jìn)氣門5和一個(gè)排氣門4。一個(gè)安裝在發(fā)動機(jī)缸蓋上的用于缸內(nèi)直接噴射的噴油器7將燃油直接注入缸內(nèi)。一個(gè)火花塞8安裝于氣缸蓋上用于點(diǎn)燃缸內(nèi)混合氣。一個(gè)安裝于進(jìn)氣道的進(jìn)氣道噴油器6。

圖2展示了一臺和圖1相同的發(fā)動機(jī)，但是圖2所示的發(fā)動機(jī)缸內(nèi)直接噴射的噴油器較圖1所示的發(fā)動機(jī)處于遠(yuǎn)離火花塞的位置。在此例應(yīng)用中，為了在火花塞附近形成可用的分層混合氣，需要在活塞或缸蓋上設(shè)計(jì)專門的燃燒室進(jìn)行配合。其設(shè)計(jì)方式按現(xiàn)有的壁面引導(dǎo)汽油直噴發(fā)動機(jī)中燃燒室設(shè)計(jì)即可。

本發(fā)明提出的高可燃性燃料微引燃控制稀釋或稀薄燃燒及著火的方法的實(shí)現(xiàn)過程具體描述如下，如圖3所示，包括以下步驟：

步驟一、通過所述進(jìn)氣道噴油器6向進(jìn)氣道噴射汽油，從而向缸內(nèi)引入預(yù)混的稀釋空氣燃油混合氣或是預(yù)混的稀薄空氣燃油混合氣，整個(gè)燃燒過程為汽油稀釋或者稀薄的燃燒；其中，稀釋空氣燃油混合氣是指燃料空氣混合氣中還包含有燃燒生成物的混合氣，無論是通過高壓外部廢氣再循環(huán)回路12或低壓外部廢氣再循環(huán)回路13或兩種外部廢氣再循環(huán)回路兼用的方法均可；稀薄空氣燃油混合氣指是燃料空氣混合氣中空氣比例多于當(dāng)量比燃燒所需空氣比例的混合氣，通過增壓系統(tǒng)向進(jìn)氣道引入過量空氣得到；

步驟二、在發(fā)動機(jī)處于進(jìn)氣行程或壓縮行程早期，通過缸內(nèi)直接噴油器7向缸內(nèi)噴射少量高可燃性燃料，從而與步驟一中形成的預(yù)混的稀釋空氣燃油混合氣或是預(yù)混的稀薄空氣燃油混合氣相混合，用于改進(jìn)預(yù)混的稀釋空氣燃油混合氣或預(yù)混的稀薄空氣燃油混合氣的可燃性；本發(fā)明中，所述高可燃性燃料為十六烷值高于40的易汽化的燃料，例如可以是二甲醚或聚甲氧基二甲醚；所謂缸內(nèi)直接噴油器向缸內(nèi)噴射少量高可燃性燃料是指噴射總量無需超過每循環(huán)缸內(nèi)所有燃油質(zhì)量的25％，即可實(shí)現(xiàn)引燃效果。

步驟三、在發(fā)動機(jī)處于壓縮行程后期、且在燃燒開始前，通過缸內(nèi)直接噴油器7向缸內(nèi)噴射少量高可燃性燃料，形成如下分層混合氣，即火花塞附近是易于著火的混合氣，在燃燒室的其他位置填充的是預(yù)混的稀釋或稀薄混合氣；

步驟四、利用活塞上行的壓縮來提升缸內(nèi)溫度，使步驟三中形成的高可燃性燃料的分層混合氣自燃著火，形成多個(gè)火核，引燃汽油形成穩(wěn)定火焰?zhèn)鞑ィ?/p>

步驟五、利用火焰?zhèn)鞑メ尫诺哪芰恳约霸撨^程造成的缸內(nèi)壓力升高，以及活塞的繼續(xù)上行壓縮引起的壓力升高，同時(shí)在步驟二注入的少量高可燃性燃料的輔助下，在未燃稀釋的空氣燃油混合氣或是未燃稀薄的空氣燃油混合氣中形成多個(gè)自燃點(diǎn)，進(jìn)而形成穩(wěn)定的快速燃燒或多點(diǎn)自燃燃燒。

為了解決發(fā)動機(jī)在大負(fù)荷工況遭遇爆震或最大爆發(fā)壓力超限的技術(shù)問題，本發(fā)明可以采用在所述發(fā)動機(jī)上設(shè)置的高壓EGR回路和低壓EGR回路或是進(jìn)氣增壓器，利用高壓EGR回路12和低壓EGR回路13調(diào)整EGR率，或者提高壓氣機(jī)10的輸出增大過量空氣的數(shù)量，以降低自燃放熱的比例和速度，在極端情況下甚至可以將自燃放熱過程轉(zhuǎn)換為快速的火焰?zhèn)鞑ト紵?，以維持發(fā)動機(jī)運(yùn)行的可靠性。

圖4和圖5分別展示的是在與圖1和圖2相同的發(fā)動機(jī)系統(tǒng)上，額外地加裝了冷卻的外部廢氣再循環(huán)回路(高壓EGR回路12和/或低壓EGR回路13)。在壓氣機(jī)10的下游加裝有中冷器11，用以降低增壓后的充量溫度。部分廢氣是從渦輪機(jī)9的上游導(dǎo)出，經(jīng)過一個(gè)換熱器的冷卻回到進(jìn)氣系統(tǒng)中壓氣機(jī)10的下游。其廢氣數(shù)量是通過高壓EGR回路EGR控制閥14調(diào)節(jié)的。這種提取壓力明顯大于環(huán)境壓力的EGR系統(tǒng)在本例中將會被稱為高壓EGR。此外，外部廢氣還可以從渦輪機(jī)9的下游引出回到進(jìn)氣系統(tǒng)中壓氣機(jī)10的上游，其廢氣數(shù)量是通過低壓EGR回路EGR控制閥15調(diào)節(jié)的。此時(shí)，外部廢氣的提取壓力與環(huán)境壓力接近，這種外部廢氣再循環(huán)回路在本例中將會被稱為低壓EGR。雖然未在圖中注出，但是該發(fā)動機(jī)也可配更多的渦輪增壓器或者機(jī)械增壓器。其中渦輪增壓器由連接在排氣道內(nèi)的渦輪機(jī)9和連接在進(jìn)氣道內(nèi)的壓氣機(jī)11組成。渦輪增壓器和機(jī)械增壓器對于本發(fā)明來說不是必須的部件，可以按照其常規(guī)狀態(tài)工作。

若利用所述發(fā)動機(jī)上設(shè)置的高壓EGR回路或低壓EGR回路，則當(dāng)所述發(fā)動機(jī)在大負(fù)荷工況遭遇爆震或最大爆發(fā)壓力超限時(shí)，關(guān)閉步驟二中高可燃性燃料的早噴過程；并通過高壓EGR回路或者低壓EGR回路向進(jìn)氣道內(nèi)引入冷卻的已燃廢氣，用以增大已燃廢氣含量，同時(shí)，利用所述進(jìn)氣道噴油器向進(jìn)氣道噴射汽油，從而向缸內(nèi)引入預(yù)混的稀釋空氣燃油混合氣，進(jìn)而將所述發(fā)動機(jī)燃燒過程轉(zhuǎn)換為快速火焰?zhèn)鞑シ绞饺紵?/p>

若利用所述進(jìn)氣增壓器，則當(dāng)所述發(fā)動機(jī)在大負(fù)荷工況遭遇爆震或最大爆發(fā)壓力超限時(shí)，關(guān)閉步驟二中高可燃性燃料的早噴過程；并通過所述進(jìn)氣增壓器向進(jìn)氣道內(nèi)引入過量的空氣，同時(shí)，利用所述進(jìn)氣道噴油器向進(jìn)氣道噴射汽油，從而在缸內(nèi)形成預(yù)混的稀薄空氣燃油混合氣，進(jìn)而將所述發(fā)動機(jī)燃燒過程轉(zhuǎn)換為快速火焰?zhèn)鞑シ绞饺紵?/p>

在發(fā)動機(jī)缸內(nèi)熱狀態(tài)不足以滿足分層混合氣點(diǎn)火或形成穩(wěn)定壓燃燃燒時(shí)，本發(fā)明通過引入內(nèi)部殘余廢氣的方式提高預(yù)混的稀釋空氣燃油混合氣或是預(yù)混的稀薄空氣燃油混合氣的溫度，以滿足在不同負(fù)荷下高可燃性燃料微引燃控制稀釋空氣燃油混合氣或是稀薄空氣燃油混合氣低溫燃燒的需求。

作為一種替代傳統(tǒng)火焰?zhèn)鞑シ绞降娜紵绞剑A(yù)混稀釋或稀薄混合氣利用缸內(nèi)殘余的熱廢氣提供的能量可以實(shí)現(xiàn)自燃燃燒。圖6(a)、圖6(b)、圖6(c)和圖6(d)分別示出了引入內(nèi)部殘余廢氣的氣門定時(shí)原理圖(即引入內(nèi)部殘余廢氣的方法)。其中，建立在四沖程發(fā)動機(jī)的基礎(chǔ)上的實(shí)施方式有以下四種：

a.在進(jìn)氣沖程打開排氣門的方式，即，排氣門在整個(gè)換氣過程中打開兩次。首次為正常排氣，其打開時(shí)刻為膨脹行程末期或排氣行程前期，其關(guān)閉時(shí)刻位于排氣行程；第二次排氣門打開和關(guān)閉都在進(jìn)氣沖程中，以便從排氣道吸入廢氣。在這種方式下，進(jìn)氣門則如傳統(tǒng)汽油機(jī)的設(shè)置一樣，在進(jìn)排氣上止點(diǎn)前打開，在進(jìn)氣下止點(diǎn)后關(guān)閉。

b.在排氣沖程中打開進(jìn)氣門。在這種方式下，排氣門則如傳統(tǒng)汽油機(jī)的設(shè)置一樣，在排氣下止點(diǎn)附近打開，在進(jìn)排氣上止點(diǎn)附近關(guān)閉。但進(jìn)氣門打開的時(shí)間大幅提前，根據(jù)需要，甚至可提前到排氣行程的中期，以便在排氣行程將廢氣排入進(jìn)氣道，然后在進(jìn)氣行程再將排入進(jìn)氣道的廢氣吸回缸內(nèi)。

c.負(fù)氣門重疊角方式。這種方式是指，排氣門關(guān)閉時(shí)刻在進(jìn)排氣上止點(diǎn)前，進(jìn)氣門打開時(shí)刻在進(jìn)排氣上止點(diǎn)后，以在活塞達(dá)到進(jìn)排氣上止點(diǎn)附近時(shí)創(chuàng)造出負(fù)氣門重疊角，使得部分廢氣始終存留在氣缸內(nèi)。

d.正氣門重疊角方式。即與傳統(tǒng)進(jìn)排氣門時(shí)刻相比，進(jìn)一步推遲排氣門關(guān)閉時(shí)刻的同時(shí)進(jìn)一步提前進(jìn)氣門打開時(shí)刻，在進(jìn)排氣門上止點(diǎn)附近形成明顯大于正常使用時(shí)的正氣門重疊角，使得進(jìn)氣過程中向缸內(nèi)吸入部分回流到進(jìn)氣管的廢氣，也可以從排氣管吸入部分廢氣。

在發(fā)動機(jī)壓縮比低或缸內(nèi)稀釋程度大的時(shí)候，本發(fā)明采用火花塞跳火輔助高可燃性燃料引燃缸內(nèi)汽油燃料，以在放熱過程前期形成穩(wěn)定的火焰?zhèn)鞑ミ^程。

有兩種實(shí)際情況需要采用輔助控制手段，一是在稀釋度過大和壓縮比不足的情況下，點(diǎn)燃分層混合氣的方式也難以獲得穩(wěn)定和理想的自燃過程。此時(shí)可通過如圖6(a)至圖6(d)所示氣門控制參數(shù)，利用可變氣門機(jī)構(gòu)，在缸內(nèi)存留一定量的內(nèi)部殘余廢氣。利用殘余廢氣的能量加熱預(yù)混稀釋混合氣，以確保點(diǎn)燃分層混合氣的方式可觸發(fā)穩(wěn)定理想可接受的壓燃燃燒；或是采用火花塞跳火提供額外的點(diǎn)火源，來進(jìn)一步穩(wěn)定前期火焰?zhèn)鞑ミ^程。

與預(yù)混稀釋或者稀薄混合氣的火焰?zhèn)鞑ト紵啾?，自燃燃燒在不同的?fù)荷均允許缸內(nèi)存在更大的稀釋度(即，大量的已燃廢氣或者過量空氣)，對于降低發(fā)動機(jī)的氮氧化合物排放和改善燃油經(jīng)濟(jì)性有很大的幫助。分層充量的數(shù)量和稀釋度均需依據(jù)發(fā)動機(jī)運(yùn)行的負(fù)荷、轉(zhuǎn)速和進(jìn)氣壓力等條件而調(diào)整。

需要特別強(qiáng)調(diào)的是進(jìn)氣道內(nèi)噴射的燃油既可以是汽油，也可以是乙醇、甲醇、丁醇等或其混合物。缸內(nèi)直接噴射的高可燃性燃料，則要求十六烷值高且易汽化的燃料，可以為二甲醚、聚甲氧基二甲醚等等。

本發(fā)明所描述的實(shí)現(xiàn)方式的主要優(yōu)點(diǎn)是：稀釋或稀薄的高辛烷值燃料可燃混合充量采用壓燃燃燒方式可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效和低排放的燃燒，燃燒過程可以依據(jù)發(fā)動機(jī)的負(fù)荷和轉(zhuǎn)速等運(yùn)行條件通過高可燃性燃料微引燃缸內(nèi)稀釋充量的方式來實(shí)現(xiàn)。

盡管上面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實(shí)施方式，上述的具體實(shí)施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨的情況下，還可以做出很多變形，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)之內(nèi)。